Pneumatiek zorgt voor zachte handen

Conventionele robotgrijpers met stijve "vingers" zijn vaak duur, hebben beperkte mogelijkheden en zijn niet bijzonder geschikt voor het veilig hanteren van delicate objecten. Om dergelijke hindernissen te overwinnen, ontwikkelen onderzoekers van het Robotics and Biology Laboratory (RBO Lab) van de Technische Universiteit Berlijn zachte robotachtige grijpers die adaptief, eenvoudig en goedkoop zijn. Het uiteindelijke doel is om de acties van een menselijke hand nauw na te bootsen.

Het RBO Lab doet onder andere basisonderzoek naar het creëren en besturen van wat ze Soft Hands noemen. De belangrijkste focus ligt op het ontwerpen van robuuste, aanpasbare en effectieve zachte actuators en bijbehorende besturingstechnologie.

Volgens laboratoriumfunctionarissen zijn traditionele elektromechanische actuatoren die zijn opgebouwd uit componenten zoals motoren, tandwielen, pezen en koppelingen gevoelig voor slijtage, vereisen veel onderdelen en zijn ze moeilijk te monteren. Dit maakt de resulterende robots duur en, voor de meeste toepassingen, onbetaalbaar.

Soft Hands betekent een afwijking van het klassieke robothandontwerp omdat ze specifiek gebruikmaken van mechanische compliance in combinatie met geavanceerde besturingsstrategieën. Vingerbewegingen worden aangedreven door perslucht. Het doel is om vastgrijpen eenvoudig, flexibel en aanpasbaar te maken en tegelijkertijd ultra-precieze positionering op te offeren die in veel toepassingen niet nodig is.

Het lab heeft verschillende prototypes ontwikkeld. De nieuwste versie wordt de RBO Hand 2 genoemd, naar verluidt een goedkope, zeer conforme en behendige antropomorfe hand. De vingers, PneuFlex-aandrijvingen genoemd, zijn gemaakt van vezelversterkt siliconenrubber met behulp van additieve fabricage- en vormprocessen. In de toekomst kunnen de soft actuators in een enkele productiestap 3D worden geprint met behulp van een verscheidenheid aan materialen en ontwerpen, om specifieke door de gebruiker gedefinieerde mogelijkheden te bieden.

Vingerconstructie omvat een rubberen bovenste gedeelte en rubber ingebed met niet-elastische vezels in het onderste gedeelte. Door de vinger met perslucht op te blazen, wordt de bovenkant gedwongen uit te steken, terwijl de onderste helft niet. De resulterende lengteverschillen tussen boven- en onderkant zorgen ervoor dat de actuator buigt. Spiraalvormig gewonden versterkingsvezels versterken en stabiliseren de vorm van de actuator, zodat inflatie leidt tot buiging in plaats van tot radiale expansie.

Het team onderzoekt ook de integratie van zachte sensoren in de PneuFlex-actuatoren. Vanwege de hoge vervormbaarheid zijn de meeste bestaande sensortechnologieën niet compatibel met flexibele actuatoren. Om tactiele feedbackmogelijkheden toe te voegen, onderzoeken de onderzoekers alternatieve sensortechnologieën zoals: vloeistof-metaal reksensoren voor het waarnemen van vervorming; raspen van optische vezels om vorm te voelen; geleidende thermoplastische elastomeervezels om spanning te meten; en aanraakgevoeligheid met rekbare, meerlagige capacitieve oppervlakken.

De RBO Hand 2 wordt bestuurd met behulp van een relatief goedkope PneumaticBox, een systeem ontwikkeld voor real-time synchronisatie en controle van de pneumatische vingers. De PneumaticBox-hardware bestaat uit een reeks 5/3 kleppen en een ingebedde computer (Beaglebone Black) samen met klepaandrijvingen, druksensoren en een 24-V-voeding. Het maakt gebruik van veelgebruikte, open-source robotsoftware (zoals ROS, RoboticsLab RLab en Python scripting) en kan op afstand worden bediend via een TCP / IP-netwerk.

De RBO Hand 2 is ontwikkeld om de mogelijkheden en limieten van robothanden te onderzoeken wanneer alleen op zachte, vervormbare structuren wordt vertrouwd. Het unieke aanpassingsvermogen van het apparaat biedt verschillende voordelen, zoals:

Bestand tegen botte botsingen

Biedt low impact energieën

Passief meegaande vingers en palm ontkoppelen contact van de robotarm, stabiliserende krachtregeling

Aanpassingsvermogen aan verschillende objectvormen vereenvoudigt vingerbesturing

Pneumatische bediening maakt complexe hand- en actuatorgeometrieën mogelijk

Ten slotte is een ander belangrijk aspect van het werk, volgens ambtenaren van RBO Lab, dat de engineering van softrobots nog in de kinderschoenen staat, vergeleken met elektromechanische handen. Voortdurend onderzoek naar ontwerpen, bedieningselementen en technologieën met betrekking tot zachte handen zou moeten leiden tot verdere doorbraken.